Para a caracterização do par propelente parafina-N2O realizaram-se mais de 40 ensaios no
LEA-UnB e 52 testes no Laboratório de Ensaios do LCP-INPE. Alguns dos testes realizados no LEA foram apresentados na metodologia experimental. Assim, primeiramente são discutidos os resultados dos ensaios realizados no LCP. A tabela 4.1 traz as condições de entrada da primeira bateria de testes.
Os testes 34 e 35 não foram utilizados na análise dos dados para o cálculo da taxa de regressão. No teste 34 houve queima de PVC desde o inicio e no teste 35 o empuxo medido e a quantidade de parafina queimada foram muito baixos, impedindo a obtenção de valores confiáveis. Em alguns testes foram usados grãos combustíveis mais longos, com o objetivo de estudar a influência do comprimento do grão sobre a taxa de regressão.
Em muitos ensaios, após a completa queima da parafina, houve consumo do PVC que serve de encapsulamento para o grão combustível. Desde que parte do tubo de PVC não queime juntamente com a parafina, não há problema na utilização dos dados oriundos desses testes. Se a queima do tubo de PVC ocorrer após a queima da parafina, enquanto a câmara estiver pressurizada, os dados podem ser empregados, visto que os tempos podem ser caracterizados.
Desta forma, é possível calcular o tempo de queima da parafina através das análises dos vídeos
( )
tq e cruzar com os dados de tempo de queima pela análise da curva de pressão, tempo nominal de queima( )
tb . Essa redundância auxilia na minimização dos desvios na medida do tempo de queima, geralmente a principal fonte de erro nos cálculos da taxa de regressão.Com auxílio da tabela 4.2 pode-se plotar o gráfico da figura 4.1. Onde
vc d G e vc d r são o fluxo de massa médio de oxidante e a taxa de regressão média de oxidante, respectivamente, após aplicação da correção proposta pela Universidade de Stanford; Gpress.
combustível sem a utilização da correção proposta pela Universidade de Stanford; t é o q tempo nominal de queima, câmara pressurizada, t é o tempo de queima através das b análises dos vídeos dos testes e t é o tempo de decaimento do empuxo. te
Tabela 4.1 – Condições dos testes com injetor pressure-swirl.
. o Teste n Injetor D mmi( ) L mmg( ) t sq( )(1) ( ) b t s (2) ( ) te t s (3) Notas 01 PSW 35,0 169 4,44 -- -- Grão longo. 03 PSW 40,0 161 5,20 -- -- Grão longo. 05 PSW 35,0 161 5,46 -- -- Grão longo. 06 PSW 35,0 128 4,7 -- -- Queimou pvc.
09 PSW 30,0 130 4,4 -- -- Dados apenas de pressão. 10 PSW 30,0 130 4,6 4,5 1,7 Dados apenas de pressão. 12 PSW 35,0 132 4,2 4,3 2,0 Dados apenas de pressão. 14 PSW 25,4 131 5,7 5,3 0,6 Dados apenas de pressão. 22 PSW 30,0 134 5,0 4,9 2,6 Dados apenas de pressão.
24 PSW 30,0 131 4,9 4,8 1,8 Queimou pvc. 27 PSW 25,4 130 6,16 -- -- Sem sensor. 28 PSW 25,4 131 5,2 -- -- Queimou pvc. 29 PSW 40,0 160 5,1 -- -- Grão longo 30 PSW 40,0 133 3,9 -- -- Queimou pvc 31 PSW 20,0 160 5,3 -- -- Grão longo
32 PSW 25,4 149 6,8 4,9 2,2 Curva de pressão e empuxo. 33 PSW 20,0 137 6,6 5,1 1,9 Curva de pressão e empuxo. 34 PSW 30,0 120 9,3 4,0 3,0 Curva de pressão e empuxo. 35 PSW 25,4 163 5,4 -- -- Dados apenas de empuxo.
36 PSW 35,0 131 6,6 4,3 1,6 Queimou pvc.
(1) análises dos vídeos; (2) análises da curva de pressão na câmara de combustão; (3) tempo de decaimento do empuxo.
Para os valores de
vc
d
G e Gpress. a discrepância esteve entre 0,5 % e 0,7%, uma vez que eles
não dependem do tempo de queima, apenas da correção no diâmetro final da porta de combustão relativo ao tempo de decaimento do empuxo.
Os valores encontrados para
vc
d
r e rpress. tiveram boa concordância, apresentando um desvio que variou de 0,6 % a 1%. Isso mostra que o tempo que é considerado para a queima da parafina através dos dados de análise dos vídeos e dos dados de pressão na câmara de combustão é válido. Esse resultado reforça a tese de que após o fechamento das válvulas principais, na fase de decaimento do empuxo, a taxa de regressão se torna desprezível.
Tabela 4.2 - Resultados dos testes do motor HP-LCP com uso do injetor pressure-swirl. . o Teste n
(
2)
vc d G g cm s rdvc(
mm s)
(
)
2 . press G g cm s(
)
. press r mm s O F P barc( )
01 -- -- 11,97 3,17 3,2 --- 03 -- -- 10,15 2,56 4,1 --- 05 -- -- 11,14 2,91 3,5 --- 06 11,05 3,42 11,12 3,39 3,8 --- 09 12,95 3,91 13,02 3,88 3,5 18,8 10 12,30 4,11 12,36 4,08 3,3 20,8 12 11,07 3,63 11,13 3,70 3,4 21,3 14 13,46 3,97 13,53 3,95 3,5 18,6 22 12,32 3,75 12,40 3,72 3,5 20,2 24 12,30 3,84 12,37 3,81 3,5 16,0 27 14,22 3,19 14,29 3,17 4,5 32,9 28 13,26 4,08 13,33 4,06 3,4 35,1 29 -- -- 10,08 2,65 3,7 --- 30 10,12 3,43 10,18 3,39 3,5 --- 31 -- -- 19,98 3,38 4,1 --- 32 13,70 4,18 13,79 4,15 3,2 32,2 33 15,25 4,66 15,35 4,63 3,1 32,6 36 11,03 3,75 11,08 3,73 3,4 36,5A partir dos resultados obtidos na tabela 4.2 propõe-se a seguinte lei da taxa de regressão para o par propelente parafina-N2O, utilizando o sistema de injeção pressure-swirl e a
correção proposta por Stanford:
0 ,67
0, 7197 ox
r = ⋅G (4.1)
A constante de regressão a é dada em mm s/ , baseado no fluxo de massa médio medido em g cm s/ 2 . Caso o fluxo de massa médio seja medido em kg m s/ 2 a constante a toma o valor de 0,1531mm s . Em ambos os casos, o expoente do fluxo de massa, / n, não é alterado.
Figura 4.1 - Resultados experimentais da taxa de regressão da parafina com uso do sistema de injeção pressure-swirl.
O valor do expoente do fluxo (0,67) é significativamente menor do que os observados nos propelentes híbridos clássicos. Segundo Karabeyoglu et al. (2004), o fato do expoente do fluxo de massa assumir valores menores é desejável, pois esse efeito pode reduzir a extensão da razão O/F durante o curso de operação do motor e melhorar a eficiência do sistema propulsivo, em termos de impulso específico.
A figura 4.2 mostra uma imagem do foguete operando nas condições da tabela 4.1, sem pré-câmara e utilizando o sistema de injeção vortical atomizada (pressure-swirl). O comprimento da chama é estimado em 1,2 m contra apenas 0,18 m do comprimento do motor. Próximo à saída da tubeira podem ser observadas as ondas de choque, apontando a característica supersônica do escoamento.
A curva de pressão típica dos testes com injetor votical atomizado, figura 4.3, indica a relativa estabilidade que esse sistema de injeção provoca nos níveis de pressão na câmara de combustão. As faixas de pressão tradicionais desses testes estão entre 16 e 30bar, para uma extensão do fluxo de massa de 10 a 16 g cm s 2
Figura 4.2 - Motor PH-LCP no momento do funcionamento.
A figura 4.4 exemplifica o efeito da pressão na câmara sobre a taxa de regressão para foguetes híbridos à base de parafina. Os dados mostram que esse efeito pode ser desprezado devido a pouca variação da taxa de regressão para pontos de pressão distintos. Essa característica pode ser verificada para fluxos de massa muito elevados, quando os foguetes híbridos clássicos costumam exibir alguma dependência da pressão na câmara de combustão.
Outro aspecto importante para caracterização do propelente está no estudo do efeito da variação do comprimento do grão sobre a taxa de regressão, figura 4.5. Comparando os testes 29 e 30, que exibem valores do fluxo de massa de oxidante próximos (10, 08 g cm s 2
e 2
10,18 g cm s , respectivamente) nota-se que para uma variação de aproximadamente 17% no comprimento do grão combustível há uma diferença da ordem de 22% no valor da taxa de regressão.
Essa discrepância é extremamente considerável e indica a necessidade de um estudo futuro mais detalhado sobre essa característica, principalmente no que tange a análise de efeito de escala. Em linhas gerais, o desvio nos valores medidos para a taxa de regressão com o grão longo esteve 20% abaixo do valor obtido com o grão de comprimento padrão.
Figura 4.3 - Curva de pressão típica dos ensaios com injetor vortical atomizado.
Figura 4.4 - Efeito da pressão na câmara de combustão sobre taxa de regressão da parafina.
A curva de empuxo que a figura 4.6 mostra é a do teste número 33, que ilustra as curvas de empuxo de toda essa primeira bateria de testes. O valor médio do pico de empuxo reside em torno de 230 N para o ensaio representado na figura. De modo geral, nessa primeira seqüência de testes os valores observados variaram de 180 a 250 N.
Figura 4.5 - Influência do comprimento do grão combustível sobre a taxa de regressão. (1)
g
L = 160 mm; (2) L = 161 mm; (3) g L = 161 mm; (4) g L = 169 mm; (5) g L = 133 mm; g (6) Lg = 128 mm (7) Lg = 131 mm (8) Lg = 134 mm.
Figura 4.6 - Curva de empuxo típica dos ensaios com injetor vortical atomizado.
Na figura 4.7 pode-se observar o tempo de resposta do transdutor de pressão e da célula de carga. O fato do empuxo não acompanhar a pressão na câmara implica na necessidade da utilização de um amplificador de sinais (PRESYS DMY-2030).
O amplificador é utilizado apenas para a tomada do empuxo, isso não ocorre nos ensaios no LEA, cujo sistema de aquisição é da Lynx. No entanto, a medida de empuxo não é de fundamental importância para o cálculo da taxa de regressão devido à utilização de um transdutor de pressão.
Figura 4.7 - A curva de pressão tem seus valores originais com fator multiplicativo 10, com objetivo de facilitar a comparação (teste n. 33).